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影响无缝钢管材料疲劳强度的因素

2020-05-21 16:11:43

无缝钢管材料的疲劳强度对各种外在因素和内在因素都极为敏感。外在因素包括零件的形状和尺寸、表面光洁度及使用条件等,内在因素包括材料本身的成分,组织状态、纯净度和残余应力等。这些因素的细微变化,均会造成材料疲劳性能的波动甚至大幅度变化。 


各种因素对疲劳强度的影响是疲劳研究的重要方面,这种研究将为零件合理的结构设计、以及正确选择无缝钢管材料和合理制订各种冷热加工工艺提供依据,以保证零件具有高的疲劳性能。 

1.应力集中的影响

常规所讲的疲劳强度,都是用精心加工的光滑试样测得的,然而,实际机械零件都不可避免地存在着不同形式的缺口,如台阶、键槽、螺纹和油孔等。这些缺口的存在造成应力集中,使缺口根部的实际应力远大于零件所承受的名义应力,零件的疲劳破坏往往从这里开始。

理论应力集中系数Kt :在理想的弹性条件下,由弹性理论求得的,缺口根部的实际应力与名义应力的比值。

有效应力集中系数(或疲劳应力集中系数)Kf:光滑试样的疲劳极限σ-1与缺口试样疲劳极限σ-1n的比值。

有效应力集中系数不仅受构件尺寸和形状的影响,而且受材料的物理性质、加工、热处理等多种因素的影响。

有效应力集中系数随着缺口尖锐程度的增加而增加,但通常小于理论应力集中系数。

疲劳缺口敏感度系数q:疲劳缺口敏感度系数表示材料对疲劳缺口的敏感程度,由下式计算。

q的数据范围是0-1,q值越小,表征无缝钢管材料对缺口越不敏感。试验表明,q并非纯粹是材料常数,它仍然和缺口尺寸有关,只有当缺口半径大于一定值后,q值才基本与缺口无关,而且对于不同材料或处理状态,此半径值也不同。

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2.尺寸因素的影响

由于材料本身组织的不均匀性以及内部缺陷的存在,尺寸增加造成材料破坏概率的增加,从而降低材料的疲劳极限。尺寸效应的存在,是把试验室小试样测得的疲劳数据运用于尺寸实际零件中的一个重要问题,由于不可能把实际尺寸的零件上存在的应力集中、应力梯度等完全相似地在小试样上再现出来,从而造成试验室结果与某些具体零件疲劳破坏之间的互相脱节。


3.表面加工状态的影响

机加工的表面总存在着高低不平的加工痕迹,这些痕迹就相当于微小缺口,在材料表面造成应力集中,从而降低材料的疲劳强度。试验表明,对于钢和铝合金,粗糙的加工(粗车)与纵向精抛光相比,疲劳极限要降低10%-20%甚至更多。材料的强度越高,则对表面光洁度越敏感。


4.加载经历的影响

实际上没有任何零件是在恒定的应力幅条件下工作,材料实际工作中的超载和次载都会对材料的疲劳极限产生影响,试验表明,材料普遍存在着超载损伤和次载锻炼现象。

事实上,在一定条件下,少量次数的超载不仅不会对材料造成损伤,由于形变强化、裂纹尖端钝化以及残余压应力的作用,还会对材料造成强化,从而提高材料的疲劳极限。因此,应对超载损伤的概念进行一些补充和修正。所谓次载锻炼是指材料在低于疲劳极限但高于某一限值的应力水平下运行一定周次后,造成材料疲劳极限升高的现象。次载锻炼的效果和材料本身的性能有关,塑性好的材料,一般来说锻炼周期要长些,锻炼应力要高些方能见效。


哈尔滨钢材厂家介绍无缝钢管常见缺陷和形成原因


形成原因

① 外来金属夹杂


在浇注过程中,金属条、块、片落入锭模中或冶炼末期加入的铁合金未熔化。

 宏观特征

在浸蚀片上,多呈边缘清晰、颜色与周围显著不同的几何形状。

 形成原因

② 外来非金属夹杂


在浇注过程中,没有来得及浮出的熔渣或剥落到钢液中的炉衬和浇注系统内壁的耐火材料。 宏观特征

较大的非金属夹杂物很好辨认,而较小的夹杂腐蚀后剥落,留下细小的呈圆形的小孔。


 形成原因

③ 翻皮底注钢锭浇注过程中的表面上半凝固的薄膜卷入钢液中去。

 宏观特征

在酸浸试样上,颜色与周围不同,形状不规则的弯曲狭长条带,周边常有氧化物夹杂和气孔存在。

缩孔 形成原因

钢锭或铸件浇注时,心部的液体由于最后冷凝时体积收缩未能得到补充,在铸锭头部或铸件中形成宏观孔穴。


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